基于SECH模型的高頻地波雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果分析

王　佳,施春榮,王曙曜,徐　坤,陳天富

(1.江蘇省氣象局氣候中心,南京 210000；2.南京鵬力系統(tǒng)工程研究所,南京211100；3.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司,南京 211100)

基于SECH模型的高頻地波雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果分析

王佳1,施春榮2,王曙曜3,徐坤3,陳天富3

(1.江蘇省氣象局氣候中心,南京 210000；2.南京鵬力系統(tǒng)工程研究所,南京211100；3.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司,南京 211100)

摘要：基于多波束風(fēng)向反演算法和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋L(fēng)速反演算法,從實(shí)測(cè)的高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)中反演風(fēng)向和風(fēng)速,并和固定點(diǎn)的浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。在風(fēng)向的比對(duì)過程中分別采用SECH模型和COS模型,平均誤差分別為32°和40°,在排除風(fēng)速小于5 m/s的數(shù)據(jù)點(diǎn)后兩模型對(duì)應(yīng)的誤差分別降低到20°和30°。該結(jié)果表明,基于SECH模型的風(fēng)向反演結(jié)果要優(yōu)于COS模型,并且在大風(fēng)速的條件下地波風(fēng)向的反演精度相對(duì)要高。對(duì)地波的風(fēng)速反演結(jié)果和浮標(biāo)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比對(duì),平均誤差在2.5 m/s左右。

關(guān)鍵詞:高頻地波雷達(dá)；風(fēng)場(chǎng)反演; 風(fēng)速；風(fēng)向

0引言

高頻地波雷達(dá)對(duì)海面狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是近幾十年來無線電海洋學(xué)的一個(gè)重要研究方向。利用高頻電磁波與海面波浪的相互作用產(chǎn)生散射的機(jī)理,通過數(shù)字波束形成、空間譜估計(jì)等相關(guān)算法處理可以從雷達(dá)回波譜提取海況參數(shù)(如風(fēng)、浪、流等),實(shí)現(xiàn)海況信息的實(shí)時(shí)獲取。高頻地波雷達(dá)具有大面積、全天候的對(duì)海況進(jìn)行監(jiān)測(cè)能力,且不受天氣和地理?xiàng)l件的限制,經(jīng)濟(jì)可靠,探測(cè)精度較高,因而逐漸受到各個(gè)國(guó)家的重視。

目前,海況參數(shù)信息的提取主要基于Barrick建立的一階、二階海洋回波散射模型[1],反演內(nèi)容主要包括風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)和流場(chǎng)等信息,其中海流探測(cè)方法較為成熟,可以投入業(yè)務(wù)使用。但是,風(fēng)、浪的反演還處于探索研究階段,是近年來高頻地波雷達(dá)研究的一個(gè)重要課題。風(fēng)向的反演主要是基于多譜勒譜正負(fù)一階峰的比值和風(fēng)向的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。1973年,Long、Trizna首次利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)從多普勒譜中提取出海面風(fēng)向[2]。1975年,Stewart和Barnum加入海浪能量的擴(kuò)散因子,利用SMB方法求出風(fēng)向[3]。但是,以上兩種方法在單站雷達(dá)系統(tǒng)的情況下都存在風(fēng)向模糊性的問題。后來,Heron、Rose、Wyatt及黃為民等分別提出了多波束法[4]、最大似然法[5]及最小差值法[6]，解決了單站雷達(dá)風(fēng)向模糊性問題。風(fēng)速的反演是基于有效波高信息[7]借助風(fēng)浪模型計(jì)算出來的。本文從高頻地波雷達(dá)反演風(fēng)向和風(fēng)速的過程中分別采用了多波束反演算法和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋L(fēng)速反演算法。

為驗(yàn)證高頻地波雷達(dá)反演風(fēng)向和風(fēng)速的有效性,本文選取位于濱海站的高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù),時(shí)間從2015年1月到2015年6月,參考基準(zhǔn)是采用高頻地波雷達(dá)探測(cè)海域內(nèi)的浮標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1風(fēng)向反演算法介紹

風(fēng)向的反演主要是基于正負(fù)一階峰的比值,下式定量描述風(fēng)向與正負(fù)一階峰比值的關(guān)系[3]:

(1)

其中，R為正負(fù)一階峰強(qiáng)度的比值,φ0和φw分別代表波束方向和風(fēng)向,F代表海浪能量的方向因子模型,其中應(yīng)用最廣泛的是Long-Higgins提出的模型[9],即

(2)

(3)

其中,s為擴(kuò)散因子,代表海浪能量的分散程度,s越大代表海浪能量越分散,s越小代表海浪能量越集中；φ和φw分別代表海浪方向和風(fēng)向；A為歸一化系數(shù)。

1985年Donelan M A 等人提出了SECH模型[10],即

(4)

利用一部雷達(dá)掃描同一個(gè)方向存在風(fēng)向模糊性問題。本文采用多波束法解決風(fēng)向模糊性問題[5],具體實(shí)現(xiàn)方式采用了最小二乘法[8]。假設(shè)一定海域的風(fēng)向相同或相近,最小二乘表達(dá)式：

(5)

其中,i和j分別代表波束方向和距離元；rij代表第i個(gè)波束方向、第j個(gè)距離上的正負(fù)一階峰比值；φi為第i個(gè)波束上的角度；φw為風(fēng)向。該式第1項(xiàng)為實(shí)測(cè)的正負(fù)一階峰的比值,第2項(xiàng)由方向因子模型確定的理論的正負(fù)一階峰值。

在下面的地波與浮標(biāo)定點(diǎn)比對(duì)過程中,分別采用COS模型和SECH模型,分析二者風(fēng)向反演精度。

2風(fēng)速反演算法介紹

1977年,Barrick提出了有效浪高經(jīng)驗(yàn)反演模型:

(6)

其中Rw為二階譜能量與一階譜能量的加權(quán)之比。由于加權(quán)系數(shù)只依賴于多普勒頻率,對(duì)于一定的區(qū)間可視為常數(shù)Maresca and Georges[9],則將上式推廣為

(7)

其中a1,b1為待定參數(shù)。

李倫等基于上式建立了海面風(fēng)速與有效波高的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚10],將風(fēng)速表示為

(8)

其中a2,b2為待定參數(shù)。

結(jié)合式(7)和式(8),文獻(xiàn)[11]直接建立了風(fēng)速與二階譜和一階譜能量比值的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:

(9)

其中a3,b3為待定參數(shù)。

3地波數(shù)據(jù)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)定點(diǎn)對(duì)比分析

高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)采用濱海海域獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該雷達(dá)系統(tǒng)為全數(shù)字化地波雷達(dá),采用收發(fā)分離,雷達(dá)工作頻率為10.75 MHz,工作帶寬為30 kHz,發(fā)射天線為三元八木天線形式,接收天線為24元雙排陣型。

基準(zhǔn)數(shù)據(jù)為高頻地波雷達(dá)探測(cè)海域內(nèi)的浮標(biāo)數(shù)據(jù),其時(shí)間分辨率為1 h,數(shù)據(jù)比對(duì)時(shí)間從2015-1-1到2015-6-30。圖1～圖6為對(duì)比分析結(jié)果。

圖1和圖2分別代表SECH模型和COS模型的雷達(dá)風(fēng)向反演結(jié)果和浮標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果的比對(duì)。從中可以看出,兩模型的反演結(jié)果與浮標(biāo)結(jié)果隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。SECH模型反演結(jié)果平均誤差為32°,COS模型反演結(jié)果平均誤差為40°。從反演精度來說,SECH模型要優(yōu)于COS模型,原因主要有兩個(gè)方面,一是采用COS模型時(shí)理論正負(fù)一階峰比值趨于無窮大或無窮小,而實(shí)測(cè)的比值因雷達(dá)回波強(qiáng)度受器件的動(dòng)態(tài)范圍限制,出現(xiàn)飽和,不可能達(dá)到無窮大或無窮小,所以當(dāng)實(shí)際風(fēng)向與波束方向相近時(shí)COS模型反演誤差會(huì)增加；二是SECH模型可能更能夠反映出該海域能量隨方向分布情況。

圖1　浮標(biāo)與雷達(dá)的風(fēng)向時(shí)序圖(SECH模型)

圖2　浮標(biāo)與雷達(dá)的風(fēng)向時(shí)序圖(COS模型)

另一方面,觀察圖2發(fā)現(xiàn)COS模型反演結(jié)果抖動(dòng)較為劇烈,而SECH模型結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。所以,從變化的穩(wěn)定程度來說,SECH模型也要優(yōu)于COS模型,原因是COS模型中理論正負(fù)一階峰比值隨風(fēng)向與波束的夾角的變化曲線階次相對(duì)與SECH模型要高,所以COS模型反演結(jié)果抖動(dòng)較為劇烈。

在低風(fēng)速情況下,風(fēng)向的反演精度也會(huì)降低。圖3和圖4分別代表排除風(fēng)速小于5 m/s的數(shù)據(jù)點(diǎn)后SECH模型風(fēng)向結(jié)果和COS模型風(fēng)向結(jié)果與浮標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果在時(shí)間序列上的比對(duì),圖5代表兩種模型風(fēng)向結(jié)果與浮標(biāo)的散點(diǎn)圖。排除掉風(fēng)速小于5 m/s的點(diǎn)后,SECH模型反演結(jié)果平均誤差可達(dá)到20°左右,COS模型的反演結(jié)果平均誤差達(dá)到30°左右。具體誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

圖3　浮標(biāo)與雷達(dá)的風(fēng)向時(shí)序圖

圖4　浮標(biāo)與雷達(dá)的風(fēng)向時(shí)序圖

表1　SECH模型和COS模型風(fēng)向反演誤差統(tǒng)計(jì)

圖6為雷達(dá)風(fēng)速與浮標(biāo)風(fēng)速在時(shí)間序列上的比對(duì)(已排除掉風(fēng)速小于5 m/s的點(diǎn)),均方根誤差為2.5 m/s。

圖6　浮標(biāo)與雷達(dá)的風(fēng)速時(shí)序圖

5結(jié)束語

本文采用濱海高頻地波雷達(dá)結(jié)果與探測(cè)海域的浮標(biāo)結(jié)果進(jìn)行了定量對(duì)比分析。在風(fēng)向反演方面,高頻地波雷達(dá)反演的結(jié)果具有較好的一致性和較高的精度。相對(duì)于COS模型反演的結(jié)果,SECH模型反演結(jié)果穩(wěn)定性較好,精度較高。另外,在排除掉風(fēng)速小于5 m/s的數(shù)據(jù)點(diǎn)后,二者精度分別提高了10°和12°。該結(jié)果表明大風(fēng)速的條件下地波風(fēng)向的反演精度要高。在風(fēng)速反演方面,特別是在大風(fēng)速、穩(wěn)態(tài)的海洋環(huán)境條件下,高頻地波雷達(dá)反演的風(fēng)速平均誤差為2.5 m/s,與浮標(biāo)測(cè)量結(jié)果較吻合。

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Analysis of wind field retrieval results of HF ground-wave radar based on SECH model

WANG Jia1, SHI Chun-rong2, WANG Shu-yao3, XU Kun3, CHEN Tian-fu3

(1.Climate Center of Jiangsu Meteorological Bureau, Nanjing 210000;2.Research Institute of Nanjing PRIDE Systems Engineering, Nanjing 211100;3. PRIDE (Nanjing) Atmospheric and Oceanic Information System Co.,Ltd. of CSIC, Nanjing 211100)

Abstract:Based on the multi-beam wind direction retrieval algorithm and the empirical model wind speed retrieval algorithm, the wind direction and wind speed are retrieved from the tested data of the HF ground-wave radar, and then compared with the data of the buoys at fixed points. The SECH model and the COS model are used for the wind direction retrieval, and the average errors are respectively 32° and 40°. After the data points with the wind speed less than 5 m/s are excluded, the corresponding errors of the two models are reduced to 20° and 30°. The results indicate that the wind direction retrieval data with the SECH model are superior to those with the COS model. Besides, the retrieval precision of the wind direction is relatively high at high wind speed. The wind speed retrieval results and the measured data of the buoys are also compared with the average error of about 2.5 m/s.

Keywords:HF ground-wave radar; wind field retrieval; wind speed; wind direction

收稿日期:2016-04-06

作者簡(jiǎn)介:王佳(1983-),男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:氣象預(yù)報(bào)；施春榮(1978-),高級(jí)工程師,研究方向:雷達(dá)總體設(shè)計(jì)；王曙曜(1988-),碩士,工程師,研究方向:高頻地波雷達(dá)海態(tài)反演研；徐坤(1985-),碩士,高級(jí)工程師,研究方向:高頻地波雷達(dá)信號(hào)處理及海態(tài)反演研究；陳天富(1988-),男,碩士,助理工程師,研究方向:雷達(dá)算法和信號(hào)處理。

中圖分類號(hào):TN958

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1009-0401(2016)02-0001-04

項(xiàng)目支持:國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目-小型化地波超視距雷達(dá)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)合研發(fā)(項(xiàng)目號(hào):2012DFR10050)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)-浮標(biāo)式高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)研制(項(xiàng)目號(hào):2012AA091702)；公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)基金(批準(zhǔn)號(hào):GYHY201306050)；江蘇省氣象科研開放基金(批準(zhǔn)號(hào):KM201403)